CN2324525Y - 回路型热管的蓄热能电池 - Google Patents
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一种回路型热管的蓄热能电池,包括一能量储存槽,其内部储存相变介质;一回路式并联热管,其内部装有工作流体;一高温热源的热交换器与低温热涵的热交换器,藉著热交换器内传动流体的流动,将热能由高温热交换器经回路式并联热管储存于能量储存槽内或由能量储存槽内释放能量经由回路式并联热管传给低温热交换器;如此在毫无动力的需求下,藉热管优越的热传特性,有效地自动操作将如电池一般的能量储存或释放,而有效地利用热能。
Description
本实用新型是有关于一种回路型热管的蓄热能电池，是提供热能(或冷能)储存与释放的蓄热(或蓄冷)电池设备，其功能有如电池一般，将热能(或冷能)储存于蓄热电池(或蓄冷电池)中，待需要时，再释放出能量予以利用，亦可于热能(或冷能)利用中，当热能(或冷能)提供过多时，将多余的热能(或冷能)储存于蓄热电池(或蓄冷电池)中，或提供热能(或冷能)不足时，部份热量可由蓄热电池(或蓄冷电池)提供利用，达到充份利用能源的目的。
众所皆知，有许多的能量(热能或冷能)于使用中，由于无法有效的储存与利用，而散失于大气中，形成废热，造成环境污染、使用设备的效率差与能源的浪费。若能将这些热能或冷能加以回收、储存，并加以利用，则不但可以减少环境污染，且增加了系统的能源使用效益，达到节约能源的目的。
一般为了将热能(或冷能)储存与利用，均采用主动式控制的设计，即于蓄热器的系统设计时，藉著泵将热能由高温热源处藉著工作流体的流动传至蓄热器内，当利用时，由电磁阀的控制改变工作流体的流动路径，将蓄热器的能量释放至低温的热涵利用。这种蓄热的方式有两项缺点，一是顼要藉著泵的运转来传送工作流体，藉著电磁阀的控制来改变工作流体储能或释能特性，由于使用了泵与电磁阀增加了操作费用与电力，当系统一旦故障，则蓄热器则无法操作；第二个缺点是藉著系统管路的设计，改变储能与释能的功能，因此操作模式上仅有储能与释能两种功能，当热能利用中，同时热能供应侧与热能利用侧同时操作时，则无法进行。
因此，本实用新型的主要目的在于改进上述蓄热器的缺失，利用被动式控制的设计，不需泵和电磁阀组件，且操作模式，除了储能与释能两种外，在热能供应侧与热能利用侧同时进行下，亦可操作；即当于热能利用中，当供应侧提供过多热能时，除了提供给热能利用侧外，多余的热量尚可储存于蓄热电池中；当供应侧提供的热能不足时，蓄热电池可提供不足的能量给利用侧，充分的发挥本实用新型蓄热电池的功能，当其所应用的场合为冷能需求时，其则可为蓄冷电池。
本实用新型一种回路型热管的蓄热能电池，乃为热能与冷能储存、释放与利用的蓄热或蓄冷电池，是由能量储存槽、回路式并联热管与高温热源的热交换器和低温热涵的热交换器所构成，其特征在于，其间关系和位置与各构件的构造分别为：能量储存槽，其内部充填相变介质，外部有绝热材料、上部设有储存槽上盖、下部有排孔；回路式并联热管，包含了并联式管排，位于能量储存槽内部，管排外有翅片紧密接触于并联管排四周；高温垂重导热管和低温垂直导热管，分别置于能量储存槽外，高温垂直导热管和低温垂直导热管，其管内外没有翅片或螺旋槽纹；联接垂直并联式管排与高温垂直导热管和低温垂直导热管的上水平管与下水平管；回路式并联热管内充填工作流体〔如水或弗利昂Freon冷冻剂〕，另有一压力限制安全槽连接于高温垂直导热管，设于能量储存槽的外部；高温热源热交换器与低温热涵的热交换器，安置于回路式并联热管中位于能量储存槽外的高温垂直导热管与低温垂直导热管外，形成一传动流体的通道，高温热源与低温热涵交换器外，设有绝缘材料；其中，在高温热源的热交换器流过的高温传动流体的能量，藉著回路式并联热管内工作流体的沸腾与冷凝将能量藉著相变介质的融解储存于蓄热电池内；在低温热涵的热交换器流过低温传动流体时可接受蓄热电池内储存的能量而增加其焓值，亦是藉著回路式并联热管内工作流体的冷凝和沸腾将能量藉著相变介质的凝固而释放；其中，在用于高温传动流体与低温传动流体同时操作时，可将高温传动流体的能量直接传进给低温传动流体，多余的热量储存于蓄热电池内，或不足的热量由蓄热电池供应给低温传动流体；其中，当其所应用为冷能需求场合时，其则可作为蓄冷电池，其工作原理与蓄热电池相同。
为使贵审查委员对于本实用新型的目的、功效、构造及工用原理与应用有更详细的了解，兹举本实用新型一些可行实施例并配合附图说明如后，其中：
图1是本实用新型的剖视示意图。
图2是本实用新型于热能储存时的工作原理示意图。
图3是本实用新型于热能释放的工作原理示意图。
图4是本实用新型于热能供给大于热能使用时的工作原理示意图。
图5是本实用新型于热能使用大于热能供给时的工作原理示意图。
图6是本实用新型的传统气冷式直膨空调系统图。
图7是本实用新型利用蓄热电池应用于排气管热回收系统图的实施例图。
图8是本实用新型利用水蓄冷电池应用于夜间储冰过程的另一可实施例图。
图9是本实用新型利用优态盐蓄冷电池于夜间储冷过程的示意图。
图10是本实用新型利用水蓄冷电池，日间融冰冷媒过冷却过程的实施例图。
图11是本实用新型利用优态盐蓄冷电池，日间融冰过冷却冷媒过程的实施例图。
图12是本实用新型利用蓄热电池与水蓄冷电池，压缩机排气管热回收及冷媒过冷却过程的实施例图。
图13是本实用新型利用蓄热电池与优态盐蓄冷电池，压缩机排气管热回收及冷媒过冷却过程的实施例图。
图14是本实用新型利用蓄冷电池，同时储冷及释冷过程的示意图。
图15是本实用新型利用蓄热电池与优态盐蓄冷电池，压缩机排气管热回收及冷媒过冷却及冷房过程的示意图。
首先请参阅图1所示是本实用新型的蓄热电池剖视示意图，如图所示，本实用新型包含了一能量储存槽12，其内部充填相变介质(PCM)13，藉固、液间凝固与融化方式储存或释放能量，外部有绝热材质14以防止热损失，上部为储存槽上盖15，用以补充相变介质13，下部有排孔16，作为相变介质的排放口；另一回路式并联热管20，可分为三部分，一为并联式管排21，垂直置于能量储存槽12内部，外部设计有短翅片211，紧密接触于重直并联管排21四周，不仅增加了垂直并联管排的热传接触面积，而且使能量储存槽12内形成许多能量储存室212，相变介质13在储能或释能时，即在各个能量储存室212内进行融解或凝固，第二部分是高温的垂直导热管22与低温的垂直导热管23，分别与置于能量储存槽12外与高温和低温的传动流体进行热交换，高温与低温的垂直导热管22、23内外设有短翅片211或螺旋槽纹管，用以加强当传动流体为气体(空气)或汽态或液体(水或液态冷媒)的热传性能，第三部分是联接能量储存槽12内的垂直并联管排21与能量储存槽12外的高温与低温垂直导热管22、23的水平管24与下水平管25，形成一回路式并联热管20。于回路式并联热管20充填适当适量的工作流体，此工作流体26可为水或冷冻剂(如弗里昂，Freon)；另有一压力限制安全槽27，其与高温垂直导热管22连结并放于储能槽12外部，以适时作为工作流体充填或膨胀的空间。另于高温导热管22与低温导热管23外有传动流体的流动通道，为高温热交换器31与低温热交换器32，分别有高温或低温传导流体(如空气、水或弗利昂)通过并与高温导热管22或低温导热管23进行热交换，高、低温热交换器22、23外安装绝热材料33，防止操作或停机时热量的散失。
请再参阅图2所示是本实用新型蓄热电池于热能储存的动作示意图，并配合图1所示，由图所知，当有高温的传动流体要进行热能储存时，高温的传动流体流进高温热交换器31，此时热量传给了高温垂直导热管22内的工作流体26，工作流体26吸收热量后产生池沸腾现象，产生的气态工作流体藉著浮力流入上水平管24后，由上往下流入能量储存槽12内的垂直并联管排21内，此时，汽态工作流体冷凝后放出热量给管外能量储存室212内的固态相变介质13，而融解成为液态工作流体，由于凝结后的液态工作流体的密度远较汽态工作流体的密度为大，靠著重力延著垂直并联管排21的内壁就流至下水平管25，至高温垂直导管22完成了一循环回路。在能量储存槽12内各个能量储存室212内，由于吸收了垂直并联管排21内汽态工作流体凝结成为液态所放出的能量，而融化了固态的相变介质13成为液态，当能量储存槽内的固态相交介质13完全变为液态时，热能就以固、液融解的潜热储存。
请参阅图3所示是本实用新型蓄热电池于热能释放利用的动作示意图，配合图1所示，由图所知，当有低温的传动流体要利用蓄热电池的热能时，低温的传动流体流进低温热交换器32，吸收了蓄热电池的能量而使传动流体热焓值增加，此时低温垂直导热管23内的汽态工作流体26，放出了能量给了低温传动流体而凝结为液态工作流体，延著低温垂直导热管内壁形成薄膜冷凝液，藉著重力经由下水平管25，至垂直并联管排21，此时垂直并联管排21内的液态工作流体吸收了管外部能量储存室212的液态相变介质13，而藉沸腾产生了汽态工作流体，藉著浮力流向水平管24后由上而下进入低温垂直导管23，完成了一循环回路。在能量储存槽12内各个能量储存室212，由于将热量给了垂直并联管排21，而凝固了液态相变介质13成为固态相变介质13，蓄热电池内的能量就藉著相变个质13在凝固与回路式并联热管内工作流体的沸腾与凝结，将能量传给了低温传动流体。
以上所述的运转模式，分别仅有高温传动流体将能量储存于蓄热电池中(如图2)的储能模式与低温传动流体将蓄热电池内的能量利用(如图3所示)的释能模式，若当高温传动流体于储能模式操作下与低温传动流体于释能操作的模式下同时操作，将可分为高温传动流体所提供的能量多于、少于或等于低温传动流体所欲带走的能量三种状况下，分别说明其操作原理。
请参阅图4所示是本实用新型的蓄热电池在高温流动流体所提供的能量多于低温传动流体所需利用带走的能量的操作模式下运转原理，当高温传动流体有大量的热量流经高温热交换器31时，造成高温垂直导热管22内的工作流体26蒸发、沸腾，产生大量的汽态工作流体，分别藉著浮力由上水平管24流向能量储存槽12内的垂直并联管排22与槽外的低温垂直导热管23，一部分留入垂直并联管排22的汽态工作流体冷凝后，将能量储存于储能槽内的各个能量储存室212内，另一部分汽态工作流体留入低温垂直导热管23冷凝后，将热量由低温热交换器32传给低温传动流体，冷凝液藉著重力流回至高温垂直导热管22而完成循环，因此，此时蓄热电池可将高温传动流体所带来的能量，供应给低温传动流体，多余的热能可储存于蓄热电池内。
图5所示是本实用新型的蓄热电池操作模式为高温传动流体所提供的能量低于低温传动流体所带走的能量下其运转原理，此时当高温传动流体的热量流经高温热交换器31时，造成高温垂直导热管22内工作流体26沸腾，但其蒸汽的产生量不足于供应低温热交换器32内低温传动流体的需求，此时能量储存槽12内相变介质13释放热量给槽内的垂直并联管排22内的工作流体产生沸腾后，汽态的工作流体传给低温垂直导热管23冷凝后，将能量传给低温传动流体，工作流体藉著沸腾与冷凝在回路式热管内完成循环。因此，此时蓄热电池可将高温传动流体所带的能量，供应给低温传动流体，不足的热能可由蓄热电池供应。
由以上的说明可知，当高温传动流体所提供的能量等于低温传动流体所需求的能量时，整个蓄热电池的操作运转下，仅有高温垂直导热管22由高温热交换器31所吸收的热量，蒸发或沸腾工作流体，产生的汽态工作流体由上水平管24进入低温垂直热导管23后冷凝，将热量传给低温传动流体。此时，蓄热电池内能量储存槽12内的相变介质13不需储能或释能，当能量储存槽12内所储存的能量为冷能时，称为蓄冷电池，其工作原理与蓄热电池相同。
为了说明本发实用新型的蓄热电池与蓄冷电池利用回路式热管，能有效的储存与利用能量，提升能源使用效率、节约能源，以众所熟知的冷气空调机为例，说明本实用新型的应用实例。如图6所示，空调机是由压缩机61、气冷式冷凝器62、蒸发器63和膨胀元件64所组成的冷媒循环系统，若以弗利昂R-22作为冷媒，冷凝温度50℃、蒸发温度5℃，则传统的蒸汽压缩循环的性能操作系数(COP)为4.77，在此系统中压缩机的出口过热冷媒温度为70℃，若能在压缩机61的排气管上安装本实用新型的蓄热电池，如图7所示，则70℃的过热冷媒的能量经由高温热交换器31可以被蓄热电池储存，而以50℃的温度进入冷凝器62，此时冷凝温度则可降至40℃，此时利用蓄热电池作为排气管的热回收设备，整体的性能操作系数为6.56，提升了38％，而且蓄热电池内所储存的能量亦可经由低温热交换器32提供作为民生所需的热能利用，例如：可预热加水从25℃至45℃，作为民生洗澡或工业制程用水。此时蓄热池内的相变介质13可利用47℃融解或凝固的潜热储存方式(例如石腊)或可用化学能的储存方式。
本实用新型的热能电池除了可利用上述的排气管热回收储能外，还可利用于蓄冷电池作为冷媒过冷式储冰系统。此系统如图8所示利用蓄冷电池12于夜间离峰时进行储存过程(相变介质13为水)，此时电磁阀SV1关闭，电磁阀SV2打开，冷媒流过膨胀阀EV2后，温度为-2℃，低温冷媒流经低温热交换器32后，可将冷能以水凝固为冰储存于蓄冷电池12内，若冷凝温度为50℃，则于夜间离峰时储冰的热性能系数COP=3.90；若于夜间离峰时，外气温度较低，冷凝温度为40℃时，其储冰运转的热性能系数COP=5.19。
于夜间利用离峰电力储冰，蓄冷电池内所用的相变介质13为水时，水凝固为冰的温度于0℃，因此冷媒流过制冰器(即低温热交换器32)的温度比0℃为低(为-2℃)，因而与空调时所需的蒸发温度5℃降低了7℃，因此若能改变所使用的相变介质13，提升相变温度为7或8℃，则于蓄冷时的热性能系数将可提升。图9所示是利用优态盐(相变温度约7℃)作为蓄冷电池的相变介质13，利用夜间电力进行储冷，由于蒸发温度可为5℃与空调的蒸发温度相同，若冷凝温度为50℃的情况下，储冷的热性能系数与传统气冷式直膨空调系统相同(COP=4.77)。
于白天尖峰用电时，图10与图11分别所示是利用蓄冷电池内水和优态盐为相变介质13时，将气冷式冷凝器62内的饱和冷媒，通过融冰器(高温热交换器31)后变为过冷状态的冷媒，此时电磁阀SV1开，另一组电磁阀SV2关，遇冷状态后的冷媒经由膨胀阀EV164通过蒸发器63后，可增加其冷冻效果，以图10为应用例，冷凝温度40℃，蒸发温度5℃，过冷温度15℃，则以水为相变介质13的蓄冷电池12，融冰后冷媒过冷下，运转的热性能操作系数COP=7.37，效率较传统式气冷空调机提高了55％。以图11为应用例，同样的冷凝温度与蒸发温度下，以优态盐为相变介质，遇冷温度为10℃下，蓄冷电池12释冷后使冷媒过冷的热性能操作系数COP=7.10，较传统气冷式空调机效率提升了49％。
本实用新型的另实施案例，亦可同时应用蓄热电池与蓄冷电池，其中蓄热电池回收压缩机排气管的热能，予以储存，并供应热水所需；蓄冷电池则利用液间电力将冷能以水(图12)或优态盐(图13)作为相变介质13凝固为固态予以储存，待日间尖峰用电时，将冷能释放出(内相变介质13固态融解为液态)经由融冰过冷却器(即高温热交换器31)使冷媒过冷后，经由蒸发器提供空调所需的冷能。本实用新型案例利用了蓄热电池降低了高压的冷凝温度，同时，由于冷媒过冷增加了冷冻效果，使得日间电力尖峰时间，使用空调机的COP提升。以图12为例，利用水作为相变介质13，过冷温度即可达15℃、冷凝温度35℃、热性能系数=8.81(提升了85％)，以图13为例，以优态盐作为相变介质13，过冷温度10℃、热性能系数COP=8.51(提升了78％)。
以上本实用新型的实施例的热性能操作系数的比较可通过表1所示更为明了。
表1是利用本实用新型的实施例的热性能操作系数的比较表。
| 冷媒循环过程状况 | 图号 | 冷凝温度(℃) | 蒸发温度(℃) | 过冷度(℃) | 压缩比C.R | 热性能操作系数COP | 效率百分比 |
| 1．传统气冷式直膨空调系统 | (6) | 50℃ | 5℃ | 0℃ | 3.33 | 4.77 | 100％ |
| 2．热回收蓄热电池气冷直膨式 | (7) | 40℃ | 5℃ | 0℃ | 2.63 | 6.56 | 138％ |
| 3．水蓄冷电池，夜间离峰储冰过程 | (8) | 50℃ | -2℃ | 0℃ | 4.17 | 3.90 | 82％ |
| 40℃ | -2℃ | 0℃ | 3.29 | 5.19 | 109％ | ||
| 4．优态盐蓄冷电池，夜间离蜂储冷过程 | (9) | 50℃ | 5℃ | 0℃ | 3.33 | 4.77 | 100％ |
| 40℃ | 5℃ | 0℃ | 2.63 | 6.56 | 138％ | ||
| 5．水蓄冷电池，日间融冰冷媒过冷过程 | (10) | 40℃ | 5℃ | 15℃ | 2.63 | 7.37 | 155％ |
| 6．优态盐蓄冷电池，日间融解释冷、冷媒过冷过程 | (11) | 40℃ | 5℃ | 10℃ | 2.63 | 7.10 | 149％ |
| 7．水蓄冷电池，热回收蓄热电池、日间融冰冷媒过冷过程 | (12) | 35℃ | 5℃ | 15℃ | 2.32 | 8.81 | 185％ |
| 8．优态盐蓄冷电池、热回收蓄热电池、日间融冰冷媒过冷过程 | (13) | 35℃ | 5℃ | 10℃ | 2.32 | 8.81 | 178％ |
本实用新型的另一实施例，是利用优态盐作为蓄冷电池内的相变介质13，可使低温热交换器32的传动流体工作温度为5℃与空调时所需的蒸发温度相同，此时可用比例式三通阀取代前述的两个电磁阀，如图14所示。本系统创作可利用夜间离峰电力及低温外气蓄冷，日间蓄冷电池释冷可用来使冷媒过冷，提高冷房能力、节约能源，同时转移尖离峰用电。由于使用比例三通阀P.V.，则可使蓄冷电池同时蓄冷和释冷，蓄冷和释冷的分配，则由空调所需的负载决定。图15说明蓄冷电池转移尖离峰空调用电，提高运转效率的功能，料可配合蓄热电池回收排气管热量并储存，提供民生用热水。
Claims (4)
1、一种回路型热管的蓄热能电池，乃为热能与冷能储存、释放与利用的蓄热或蓄冷电池，是由能量储存槽、回路式并联热管与高温热源的热交换器和低温热涵的热交换器所构成，其特征在于，其间关系和位置与各构件的构造分别为：
能量储存槽，其内部充填相变介质，外部有绝热材料、上部设有储存槽上盖、下部有排孔；
回路式并联热管，包含了并联式管排，位于能量储存槽内部，管排外有翅片紧密接触于并联管排四周；高温垂重导热管和低温垂直导热管，分别置于能量储存槽外，高温垂直导热管和低温垂直导热管，其管内外没有翅片或螺旋槽纹；联接垂直并联式管排与高温垂直导热管和低温垂直导热管的上水平管与下水平管；回路式并联热管内充填工作流体〔如水或弗利昂Freon冷冻剂〕，另有一压力限制安全槽连接于高温垂直导热管，设于能量储存槽的外部；
高温热源热交换器与低温热涵的热交换器，安置于回路式并联热管中位于能量储存槽外的高温垂直导热管与低温垂直导热管外，形成一传动流体的通道，高温热源与低温热涵交换器外，设有绝缘材料。
2、依据权利要求1中所述的回路型热管的蓄热能电池，其特征在于，其中，在高温热源的热交换器(31)流过的高温传动流体的能量，藉著回路式并联热管(20)内工作流体的沸腾与冷凝将能量藉著相变介质(13)的融解储存于蓄热电池内；在低温热涵的热交换器(32)流过低温传动流体时可接受蓄热电池内储存的能量而增加其焓值，亦是藉著回路式并联热管(20)内工作流体的冷凝和沸腾将能量藉著相变介质(13)的凝固而释放。
3、依据权利要求2中所述的回路型热管之蓄热能电池，其特征在于，其中，在用于高温传动流体与低温传动流体同时操作时，可将高温传动流体的能量直接传进给低温传动流体，多余的热量储存于蓄热电池内，或不足的热量由蓄热电池供应给低温传动流体。
4、依据权利要求1中所述的回路型热管之蓄热量电池，其特征在于，其中，当其所应用为冷能需求场合时，其则可作为蓄冷电池，其工作原理与蓄热电池相同。
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| CN 98203795 CN2324525Y (zh) | 1998-05-04 | 1998-05-04 | 回路型热管的蓄热能电池 |
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1998
- 1998-05-04 CN CN 98203795 patent/CN2324525Y/zh not_active Expired - Fee Related
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| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |